星间微波光子链路的可行性研究

曹哲玮, 陈心怡, 李思远, 梅 坤, 孙东明

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

随着大容量信息传输技术的高速发展,光子技术与微波技术的相互融合已经成为一个重要的技术方向[1-2]。与传统的微波传输技术相比,基于微波光子技术的通信系统具有体积小、重量轻、损耗低、带宽大、抗电磁干扰能力强、对调制格式透明等优势。近年来,微波光子技术已成功应用于地面光载射频(radio over fiber,ROF)通信系统。该系统主要用于实现中心工作站与各个通信基站之间的信号传送和分配。其优点在于可将复杂的微波处理单元置于中心工作站,而基站仅负责光电转换和微波天线发射,基站结构简单,可大大降低建设成本,有利于提高频率复用度和蜂窝密度。ROF通信系统对于频率和调制格式完全透明,频率和调制格式变化时不需要改变基站设置,只需对中心站进行升级,非常有利于无线通信网络的升级换代。微波光子技术同样可应用于卫星通信。欧洲航空局(ESA)最早在20世纪90年代的SAT-NLIGHT计划中就提出了基于微波光子技术的卫星转发器概念。随后十年中,美国国家宇航局(NASA)、ESA、泰雷兹阿莱尼亚宇航公司(TAS)相继在该技术领域发布了一系列研究计划和预研项目[3-7],例如“基于光子技术的下一代卫星通信载荷”、“星载宽带光接收机(OWR)”、“卫星宽带模拟信号透明转发器的光域变频单元(OMCU)”等。总之,微波光子技术在未来宽带卫星系统,尤其是在低轨组网卫星、天基分布式电子侦察等系统中具有巨大的应用潜力,可以极大地简化卫星载荷设计、增加载荷应用灵活性、有效降低卫星资源消耗。国内卫星微波光子技术领域发展较慢,且多侧重于理论研究[8-15]。与地面利用光纤传输光信号不同,卫星间只能在自由空间中传输光信号,而目前国内外尚未有真正基于空间光传输的星间微波光子链路技术研究的报道。

本文主要对基于强度调制/直接探测(IM/DD)体制的外调制空间微波光子链路进行理论和实验研究,模拟星间远距离空间光传输,并分析空间光传输损耗、掺饵光纤放大器增益等参数对微波光子链路噪声系数和射频增益的影响。

1 理论与仿真

1.1 微波光子链路模型

基于IM/DD体制的外调制空间微波光子链路的基本模型如图1所示。其中最核心的四个器件为激光器(LD)、马赫-曾德尔调制器(MZM)、掺饵光纤放大器(EDFA)和光电探测器(PD)。LD用于产生光载波,MZM将射频信号调制到光载波上,调制后的光信号经发射EDFA放大后进入空间信道。接收EDFA对空间光信号进行前置低噪声放大,并输出至PD,PD再解调出射频信号。为了获得最大的基频信号增益,通常使MZM工作在正交工作点。

图1 基于IM/DD体制的空间微波光子链路模型

为了简化分析过程,链路不考虑发射EDFA、空间传输信道和接收EDFA的影响,即假设MZM与PD直接通过一根光纤相连。此时外调制微波光子链路的噪声因子可以用Friis级联公式表示为

式中:FMOD、FOF和FPD分别表示调制器、光纤和探测器的噪声因子;GMOD和GOF分别是调制器和光纤的光电转换增益。上述参数的表达式可分别写成[2]

其中

式中:R是输入阻抗;Z0是负载阻抗;Uπ是MZM的半波电压;φ是MZM中光载波和射频信号的相位差;NRF是激光器在指定射频(RF)频率ωRF处的相对强度噪声;k是玻尔兹曼常数;T是开氏温度;q是基本电荷电量;PPD是PD的输入光功率;h是普朗克常量;ν是光的频率;ηP是PD的量子效率;LOF是MZM和PD之间的光纤衰减;Id是PD的暗电流;gD是PD的等效电导率;PMOD是MZM的输入光功率;LMOD是MZM的调制深度;ne是MZM中电波导的折射率;n是MZM中光波导的折射率;c是光速。

通常将噪声因子以dB为单位写成噪声系数的形式,表达式为

对简化后的IM/DD链路噪声系数进行仿真。PD的输入光功率PPD分别设置为10,0,-5,-10 dBm。计算IM/DD链路噪声系数的其它参数取值如表1所示。

表1 计算IM/DD链路噪声系数的参数

将式(1)、式(2)、式(3)带入式(4),可仿真得到IM/DD链路的噪声系数变化曲线,如图2所示。从仿真曲线可知,IM/DD链路的噪声系数会随着PD的输入光功率变化而剧烈变化,PD的输入光功率越大,噪声系数越小,反之则越大。卫星间巨大的自由空间光传输损耗是导致光载微波信号噪声系数恶化的重要因素,后续将通过实验来进行验证。

图2 输入光功率对IM/DD链路噪声系数影响的仿真结果

1.2 星间传输损耗

低轨卫星间的通信距离一般在几百公里至几千公里量级,而到达光接收机的光功率与距离的平方成反比,因此接收光功率会随通信距离的增加而急剧减小。由自由空间引入的几何损耗可表示为

式中:λ是光波长;d是自由空间距离。假设λ=1 550 nm,d=400 km,可得Lr≈ -250 d B。为了克服如此大的光传输损耗,需要保证光学天线具备足够大的增益。光学天线的增益是指将一个全向光信号压缩到特定方向的能力。总的自由空间光传输损耗Lt与光发射束散角θd、光学天线口径D以及两星传输终端间的跟瞄误差θe相关,可表示为

式中:ηt和ηr分别表示发射光学系统和接收光学系统的效率。

表2给出了按式(6)计算自由空间光传输损耗时,光学系统关键参数的一种典型取值情况。

表2 光学系统关键参数

在该特定条件下,可以得到星间光传输损耗的仿真曲线如图3所示。当传输距离从100 km增加至4 000 km时,光传输损耗增加了约32 dB。当传输距离为400 km时,总的光传输损耗接近50 dB。

图3 星间光传输损耗与传输距离的关系

1.3 EDFA的影响

补偿空间损耗的另一种方法是使用EDFA。受益于其高增益、低噪声系数和大带宽的特性,EDFA被广泛应用于C波段和L波段光通信系统中。在空间微波光子链路中使用EDFA会影响整条链路的增益和噪声系数,EDFA的受激自发辐射(ASE)噪声会在链路总噪声中占据主导地位。ASE噪声会在光电探测器中发生自拍频或与光信号发生拍频,产生ASE-ASE噪声和ASE-信号噪声,同时伴随着由平均ASE噪声引入的散弹噪声。ASE引入的散弹噪声可以表示为[2]

式中:Msp是ASE的模式数;R是PD的响应度;lo是EDFA和PD间的光插损;nsp是ASE的噪声因子;go是EDFA的光增益;Bo是光带宽;R是匹配阻抗。ASE-ASE噪声和ASE-信号噪声在电域可分别表示为[2]

式中:f是RF频率;Psig是EDFA的输入信号光功率。从式(7)和式(8)可以看出,ASE在PD中引入的电噪声会随着PD中光电流的增大而增大。

假设在空间微波光子链路中插入两个EDFA,如图4所示。第一个EDFA用于发射端的功率放大,第二个EDFA用于接收端的低噪声放大,两个EDFA之间的自由空间会引入一定的衰减。

图4中EDFA级联模型的噪声因子和增益可以表示为

图4 EDFA级联链路模型

式中:F1和F2分别是两个EDFA的噪声因子;G1和G2分别是两个EDFA的光增益;Lc是空间衰减量。将式(9)和式(10)代入式(1)可得到图1所示整条链路的噪声因子

2 实验与讨论

2.1 基本实验装置

为了验证星间微波光子链路的RF性能,搭建基本实验装置,如图5所示。输入RF信号的频率范围为(0.8～5.0)GHz。

图5 星间微波光子链路基本实验框图

图5中的LD是一个1 550 nm波段的连续波分布反馈式(DFB)激光器,最大输出光功率100 m W,线宽小于1 MHz,相对强度噪声(RIN)小于-160 d Bc/Hz;电光调制器是一个带宽20 GHz的铌酸锂(LiNb O3)马赫-曾德尔调制器,具有较高的线性度和较低的插损,最大可承受27 d Bm的RF输入功率,为了使链路获得最大的RF基频增益,MZM一般工作在正交工作点附近;PD是一个30 GHz带宽的高线性度铟镓砷(In Ga As)PIN探测器,最大可承受30 m W输入光功率。MZM输出的光信号经过一段自由空间衰减后进入一个95/5分光器,95%的光功率进入PD,5%的光功率用于实时监测。实验中采用两个小型光学天线模拟自由空间光传输,通过调节天线间距离来控制PD的输入光功率。测试仪器主要使用的是Keysight N9020A信号分析仪和RF噪声源,测试参数包括RF噪声系数和增益。

2.2 PD输入光功率对链路RF性能的影响

调节图5中的自由空间衰减量,使PD的输入光功率分别为10,0,-5,-10 d Bm,此时测得链路的RF增益分别为-14,-34,-44,-54 dB,链路的RF噪声系数分别为25,37,45,55 dB,如图6所示。总体上来说,链路RF噪声系数会随着RF增益的降低而增大,这主要是由于光功率变大使链路增益变大,进而使得信号功率变大。但RF噪声系数与增益又并非完全是线性关系,这是由于PD的散弹噪声也与输入光功率有关,输入光功率越大,散弹噪声越大。

图6 PD的输入光功率对RF性能影响的测试结果

2.3 宽带发射EDFA对链路RF性能的影响

为了探究宽带发射EDFA对星间微波光子链路RF性能的影响,在基本实验装置中的MZM之后接入一个发射EDFA,带宽约20 nm,如图7所示。发射EDFA将MZM的输出光功率放大至25 dBm,再分别衰减至10,0,-5,-10 dBm输入PD,与2.2节实验中PD的输入光功率保持一致。

图7 增加宽带发射EDFA后的实验装置

发射EDFA对RF性能的影响如图8所示。

图8 发射EDFA对RF性能影响的测试结果

当PD的输入光功率分别为10,0,-5,-10 d Bm时,链路RF增益分别为-14,-34,-44,-54 dB,对应的RF噪声系数约为30,37,45,55 d B,总体变化趋势与图6接近。不同的地方在于,当PD的输入光功率较小时,如光功率为0,-5,-10 dBm,发射EDFA的存在与否对链路噪声系数基本没有影响;而当PD的输入光功率较大时(10 dBm),发射EDFA使链路噪声系数增大了约5 dB。这可以用EDFA的ASE噪声来解释,当PD中光电流较小时,ASE在PD中引入的电噪声较小,对链路基本没有影响;而当光电流增加到一定程度后,ASE噪声在PD中引入的电噪声在总噪声中占主导地位,与没有发射EDFA的链路相比,总噪声的增加导致输出信噪比下降。

2.4 窄带接收EDFA对链路RF性能的影响

为了进一步探究接收低噪声EDFA对RF性能的影响,在图7的基础上再增加一个窄带低噪声EDFA,带宽约0.4 nm,如图9所示。

图9 增加窄带接收EDFA后的实验装置

窄带低噪声EDFA通常用作空间光传输系统接收机中的预放大器,在放大信号光的同时滤除ASE噪声和空间背景光等噪声,从而提高接收信号的信噪比。在实验中,MZM的输入光功率首先被发射EDFA放大至25 dBm,接着被分别衰减至-10,-15,-20,-25 dBm,对应总的空间衰减量为-35,-40,-45,-50 dB,最后被接收EDFA放大至10 dBm后进入PD。窄带接收EDFA对链路RF性能影响的测试结果如图10所示。

由图10(a)可以看出,由于进入PD的光功率相同,不同空间衰减下的链路RF增益接近,在-14 dBm左右,差异在1 dB以内,差异可能是MZM的工作点漂移和测量误差导致。同时对比2.2节～2.4节中的RF增益测量结果可以看出,只要PD的输入光功率一致,链路的RF增益就基本保持不变,与EDFA的存在与否无关。由图10(b)可以看出,链路的RF噪声系数分别约为45,49,53,60 dB。通过对比2.3节和2.4节的实验结果可知,当空间衰减同为-35 dB时,窄带低噪声EDFA使链路噪声系数从55 dB下降至45 d B,优化了近10 d B。此外,结合图3和图10可以进一步发现,当空间传输损耗为50 d B时,对应的星间传输距离为400 km,此时的链路噪声系数在60 dB左右,当在链路前端配置一个增益为60 d B、噪声系数为2.5 d B的射频低噪放(LNA)模块时,整个星间链路的噪声系数可控制在4.5 d B以内,可以满足大部分的应用需求。

图10 窄带接收EDFA对链路RF性能影响的测试结果

3 结论

本文研究了空间微波光子链路用于星间射频信号传输时,链路的射频增益和噪声系数随链路硬件参数变化的情况,并进行了仿真实验验证。研究结果表明:链路射频增益只与PD的输入光功率有关,输入光功率越大,射频增益越高;链路的噪声系数会随着空间光传输损耗的增加而急剧恶化,在链路发射端和接收端分别配置宽带和窄带EDFA可以有效补偿空间光传输损耗,提高PD的输入光功率,进而提高链路射频增益并降低链路噪声系数。链路性能的实测结果支撑了星间微波光子链路在轨应用的可行性。